多旋翼无人机技术基础课件9

1、多旋翼无人机技术基础（9）,多旋翼无人机设计的定义,所谓设计，便是一个创造性的综合信息处理过程，通过多种元素如线条、符号、数字、色彩等方式的组合把产品的形状以平面或立体的形式展现出来。它是将人的某种目的或需要转换为一个具体的物理或工具的过程；是把一种计划、规划设想、问题解决的方法，通过具体的操作，以理想的形式表达出来的过程。 多旋翼无人机设计是设计人员应用气动、结构、动力、材料、工艺、电子和计算机软硬件等学科知识，通过分析、综合和创造思维将设计要求转化为一组能完整描述多旋翼无人机的参数（文档、图纸和软件）的活动过程。,多旋翼无人机设计的重要性,由于在设计阶段要全面确定整个多旋翼无人机新型号的产

2、品策略、外观、结构、性能和功能等，从而确定整个生产系统的布局，因而，多旋翼无人机设计的意义重大，具有“牵一发而动全局”的重要意义。如果多旋翼无人机的设计缺乏生产观点，那么生产时就将耗费大量费用来调整和更换设备、物料和劳动力。相反，好的产品设计，不仅表现在性能和功能上的优越性，而且便于制造，生产成本低，从而使新机型号的综合竞争力得以增强。许多在市场竞争中占优势的多旋翼无人机设计和生产企业都十分注意产品设计的细节，以便设计出造价低而又具有先进独特功能的产品。许多公司都把设计看作热门的战略工具，认为好的设计是赢得顾客的关键。,多旋翼无人机设计要求,一项成功的设计，应满足多方面的要求。这些要求有社会发

3、展方面的，有产品性能、功能、质量、效益方面的，也有使用要求或制造工艺要求，主要包括： （1）社会发展要求 （2）安全性要求 （3）可靠性要求 （4）经济效益要求 （5）使用要求 （6）制造工艺要求,多旋翼无人机设计的基本原则,（1）需求原则 （2）信息原则 （3）创新原则 （4）系统原则 （5）收敛原则 （6）优化原则 （7）继承原则 （8）效益原则 （9）时间原则 （10）定量原则 （12）简化原则 （13）审核原则,多旋翼无人机设计任务,多旋翼无人机设计的任务是确定其构型、布局、结构、防撞和飞控软硬件，以及其他各组成部分，以保证在一定的限度内使多旋翼无人机最有效地满足给定的技术要求。其内容

4、包括总体技术方案论证，提出最佳技术方案，系统可靠性、维修性、保障性、安全性和生产性的综合与权衡，系统风险分析与控制，系统的费效分析，各分系统的兼容性设计、接口设计；对分系统提出技术要求及进行协调；详细的成本估算、研制周期估计，提出关键技术试验。 实质上，多旋翼无人机设计的任务在现实的基础上最佳地拟定技术文件，这些技术文件应保证在给定条件下使新设计多旋翼无人机能满足使用技术要求，通常可分为三类： （1）多旋翼无人机的设计图纸、设计报告、计算报告、试验报告、自控设备和飞控软件程序等技术文件，这类技术文件说明设计的指导思想和原则，回答有关要研制怎样的多旋翼无人机的问题。 （2）生产多旋翼无人机的方法

5、和设备的工艺文件、设备清单和说明书，回答怎样制造生产的问题。 （3）关于使用维护方面的技术文件，回答怎样正确使用多旋翼无人机的问题。,多旋翼无人机设计工作要求,（1）要有明确的设计目标，并建立评估设计优劣的准则。 （2）要考虑主、客观条件，处理好各种关系。 （3）要有专门的设计机构，比较完善的试验、试制基地。,多旋翼无人机总体设计定义,多旋翼无人机总体设计是指从概念设计到初步设计阶段进行总体方案设计的全过程，其最终目标是给出最优的新机总体方案。它是根据市场调研或在用户要求的条件下，综合运用一系列基础科学、应用科学和工程技术的最新成果，选择并确定多旋翼无人机新型号的布局形式和总体设计参数，经过论

6、证计算、分析、修正，使所设计出来的新型号能以优良的性能，最大限度地满足市场需求及达到用户的要求。 总体设计对新机研制工作具有全局性影响，重大决策大部分都要在总体设计阶段做出。总体设计工作中的失误，不仅会对以后的设计工作产生不利的影响、造成时间和经济上的损失，而且往往会直接影响到新机研制的成败。因此，总体设计是多旋翼无人机研制中最为重要的一个阶段，包含了概念设计阶段和初步设计阶段两部分。,概念设计的工作内容,概念设计要求解决全局性的重大问题，因此必须深人、细致和慎重地进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求概念设计作出的重大决策有坚实可靠的基础，避免以后出现不应有的重大反复。概念设计的主要工作内容

7、如下。 （1）气动布局方案论证 （2）全机总体布局方案论证 （3）全机总体结构方案论证 （4）各部件和系统的方案论证 （5）全机重量计算、重量分配和重心定位 （6）确定配件和设备清单,初步设计的工作内容,方案设计阶段的初步设计是将前面概念设计所得到的多旋翼无人机的几何参数、重量参数和能量参数进一步加以具体化，使其符合各种相互矛盾的要求。进一步确定气动布局、总体布局、主要部件的结构型式，以及飞控软件开发等。制作吹风模型和进行风洞吹风试验，根据试验结果进一步进行详细的气动力计算和稳定性计算、以及动力学问题的初步计算，进行较精确的多旋翼无人机重心定位计算。在这些计算的基础上，对多旋翼无人机的总体布置

8、进行适当修改，调整重量计算和重心位置，制造样机，协调多旋翼无人机各组合件和各系统相互的空间位置，设备安装布置等。 初步设计的主要工作内容如下： （1）气动方面 （2）结构设计 （3）系统设计 （4）总体布局,多旋翼无人机总体设计的特点,多旋翼无人机总体设计是综合协调、折中权衡、反复迭代、逐渐逼近的过程，强调每一个步骤都要尽量给出具体的数据和判断。其主要特点有： （1）综合协调、折中权衡 （2）反复选代、逐次逼近 （3）创新性与科学性,详细设计的工作内容,工程研制阶段的详细设计的任务是提交对多旋翼无人机各部件、各系统及全机进行生产、安装、装配工作所需要的全部技术文件；整理和完成绘制原型机生产所需

9、要的全部图纸（零件图、装配图、理论图），并相应进行全部必要的计算工作（气动、结构、强度、振动和疲劳的计算等）；继续进行性能、操稳、气动、动力学等方面的校核性试验，并利用校核试验结果和由图纸得到的重量、重心和惯量数据进行全面的性能、操稳等方面的计算；根据最后正式确定的外载荷进行零部件的强度校核计算，以及提前进行零构件、部件的强度试验或有关的振动试验。完成全机和零部件的重量、重心和惯量的计算，提交静力、动力试验任务书和飞行试验任务书。 最后依据原型机试制所需的全部图纸、技术文件和软件，完成原型机的加工试制，然后利用原型机进行地面试验。与此同时，要提前开展驾驶员（飞手）培训工作。,设计定型的工作内容

10、,设计定型阶段所有定型试飞、检测和试验工作完成后，要进行阶段性验收，即进行设计定型。设计定型是按照新型号研制总要求，对新型号进行全面考核。 （1）申请设计定型的要求 经过设计定型试验，证明产品的性能达到批准的技术性能和使用要求，不得遗留重大质量问题。 设计图样及文件完整、正确、协调。 产品配套齐全。 构成产品的所有配套设备、零部件、元器件、原材料、软件等有供货来源。 （2）设计定型委员会审查验收 多旋翼无人机的设计定型由专门组织的设计定型委员会依据研制总要求和设计规范对新机研制全过程进行审查、考核和验收，通过后颁发定型证书。,生产定型的工作内容,（1）申请生产定型的标准和要求 具备成套批量生产

11、条件、工艺符合国家有关产品质量管理规定，质量稳定，不遗留质量问题。 经试验和试用，产品性能达到批准设计定型时的要求。 生产与验收的各种图样、技术文件齐备。 配套设备及零部件、元器件、原材料、软件供货有保障。 （2）生产定型委员会审查验收 经过设计定型或技术鉴定后的多旋翼无人机系统，新产品生产还可能会有一定的更改，特别是工艺改进，改进后的多旋翼无人机系统进入小批量生产。首批生成的多旋翼无人机，经检验、试飞、工艺质量，并由专门组织的生产定型委员会审查，确认其符合批量生产标准，质量稳定可靠，即审查通过后颁发生产定型证书，生产定型工作结束，转入批量生产。,多旋翼无人机动力装置分析,由于对多旋翼无人机新

12、型号的结构大小、飞行空域、速度、高度和用途等性能和使用功能的要求不同，因此选用的动力装置也不同。多旋翼无人机常用的发动机有电动机和燃油发动机两大类，其中电动机有直流无刷电机和直流有刷电机两类；燃油发动机有活塞式发动机和涡轮轴发动机两大类 （1）直流电动机 无刷直流电机 空心杯有刷直流电机 （2）燃油发动机 活塞式发动机 涡轮轴发动机,多旋翼无人机旋翼数量分析,决定多旋翼无人机旋翼数量的因素，有： （1）稳定性 （2）安全性 （3）体积尺寸 （4）旋翼折叠 综上所述，不同的旋翼数量的构型，其空气动力学特性也各具特色，其中四旋翼无人机的结构简单，机动性很好，能够做出3d特技，是最通用的选择；而六旋

13、翼、八旋翼无人机则稳定性更好，是航空摄影摄像的良好平台；还有其他旋翼数量的构型也深受需求各异的用户喜爱。,多旋翼无人机共轴旋翼分析,为了在不增大多旋翼无人机体积的情况下使多旋翼无人机的马力（总功率）更大，最简单的办法是把两个旋翼上下叠放。由发动机通过传动系统分别驱动两个大小相同、转向相反的旋翼转动，使它们产生的反扭矩相互抵消。多旋翼无人机采用共轴式双旋翼的方式，共轴反桨的上下一对旋翼的气流之间存在着相互干扰，这种气流干扰依据飞行状态的不同，对动力组合的效率影响有好有坏，其特点如下： （1）悬停状态效率提高 （2）前飞状态效率降低 （3）机体体积减小,倾转旋翼式多旋翼无人机分析,多旋翼无人机旋翼

14、桨叶在悬停状态和前飞状态下的工作环境是截然不同的，前飞时最大速度通常受到前行桨叶压缩性影响及后行桨叶气流分离的限制，其气动效率要比固定机翼低，最大飞行速度一般难以突破370公里/小时。这就使它虽然具有固定翼无人机所不具备的垂直起落和悬停能力，但是，其固有的弱点是飞得慢、飞不远。为了克服这一弱点，倾转旋翼式多旋翼无人机应运而生。它是一种将固定翼无人机和单旋翼无人直升机特点融为一体的多旋翼无人机。 例如倾转四旋翼无人机，其机身和普通固定翼无人机基本相似，两个机翼分别位于机身的前后，位于机翼两端的四个旋翼/发动机可以向上和向前转动。当四个旋翼/发动机从水平状态转到垂直状态时，就可以像普通直升机一样实

15、现垂直起降和悬停，当四个旋翼/发动机处于水平状态时，就能产生一个向前的拉力，使它能像固定翼飞机一般向前快速飞行。在四个旋翼/发动机处于这两种状态之间时，既产生了升力，又产生了拉力，能使它以低速飞行。与普通无人直升机相比，倾转四旋翼无人机飞行速度快，航程远，升限高，噪声小，降落和起飞更迅速；与固定翼无人机相比，它能够垂直起降和空中悬停。,有翼式及复合式多旋翼无人机分析,提高正常型式多旋翼无人机的最大飞行速度主要受到三方面的限制，即局部激波、气流分离及机体前倾，其中机体前倾对提高飞行速度的限制最为严重。采用在正常式多旋翼无人机上安装辅助机翼的办法可以部分地解决这些问题。在飞行速度较大时有翼式多旋翼

16、无人机的机翼也提供了一部分所需升力，从而减轻了旋翼的载荷。 要使多旋翼无人机的最大飞行速度能大大提高，仅仅加上一个机翼是不够的，还必须设法部分或全部地解决旋翼提供水平拉力的作用，这样就出现了所谓复合式多旋翼无人机。它不仅带有机翼，还有推进装置，如拉力螺旋桨或喷气推力。在飞行速度较大时，多旋翼无人机所需的水平拉力可以全部由推进装置提供，机体也就不需前倾，甚至可以在自转状态下工作而略为后倾。显然，对于复合式多旋翼无人机，机体前倾对前飞最大速度的限制就不再存在了，其飞行速度将比正常型式多旋翼无人机及有翼式多旋翼无人机大大提高。此外，由于机翼的存在，在大速度飞行时多旋翼无人机的气动效率也比较高，这一点

17、与有翼式多旋翼无人机相同。,涵道式无人机分析,涵道式无人机总体布局为涵道风扇式结构，主要由上载荷仓、下载荷仓、涵道风扇系统和机体支架4部分组成。上部为圆柱形载荷仓，可以用来安装摄像装置、飞行控制器以及各种电子设备供电电源等，涵道中间安装了发动机、螺旋桨以及导流片等。螺旋桨由发动机直接驱动，下部载荷仓内部装载了姿态测量传感器包括3轴陀螺仪、3轴加速度计以及3轴磁强计、gps模块、气压传感器等，涵道内部是周向分布的812个导流片，控制舵片分布在导流片的下方，用来产生滚转、俯仰和偏航力矩。,涵道式无人机特点,涵道式无人机总体结构有单旋翼结构和共轴双旋翼结构两种，其特点有： 安全性 机动性 飞行效率

18、隐蔽性 涵道型无人机现阶段并未受到市场的太多重视，原因更多在于控制难度、产品成熟度、飞行系统空间设计方面。另外，南京航空航天大学通过风洞实验分析了涵道风扇升力系统的升阻特性，指出涵道风扇作为升力装置仅适合于强调悬停和低速飞行性能的飞行器，这说明该机型的应用范围比较狭窄。,多旋翼无人机设计技术要求的内容,（1）多旋翼无人机的任务使命或用途 （2）使用环境条件 （3）主要装载要求 （4）主要飞行性能要求 （5）重量要求 （6）几何尺寸要求 （7）飞行姿态平稳度要求 （9）控制半径要求 （10）可靠性与维修性要求 （11）保障性要求 （12）安全性要求 （13）其他要求 ：起落场地，自转着陆，水面起降，抗风抗浪，三防（防腐、防尘、防辐射），机动性，抗坠毁性，残存性，维护性。 （14）典型任务剖面,旋翼桨叶旋转方向分析和选择（1）,假定多旋翼无人机所有旋翼在同一平面的同一圆周上，旋翼的旋转方向可以分为两种布局，图(a)中对角线上的旋翼旋转方向相同，而图(b)中的旋转方向相反。现假设飞行中